CC BY
14ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ГУМАНИТАРНЫЕ НАУКИ
Гомозов В.И., д-р техн. наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР,
Заслуженный изобретатель УССР, Гомозов А.В., канд. техн. наук, старший научный сотрудник
УНИФИКАЦИЯ ВОЗБУДИТЕЛЕЙ АНСАМБЛЕЙ ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ МЕТОДЕ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ
Рассматривается принцип построения унифицированного возбудителя, обеспечивающего формирование когерентных последовательностей простых и сложных радиоимпульсов более чем 12-ти различных видов, которые наиболее приемлемы для решения задач адаптации и оптимизации режимов зондирования многофункциональных и специализированных РЛС. Возможность реализации подтверждается экспериментально.
Обоснование целесообразности унификации возбудителей ансамблей простых и сложных сигналов, наиболее приемлемых их видов для решения задач адаптации и оптимизации режимов зондирования многофункциональных и специализированных РЛС в зависимости от требований к условной скрытности режимов работы, целевой и помеховой обстановок в зоне действия приведено в [1]. Такие унифицированные возбудители сигналов могут создаваться на основе комбинированных методов как частотной, так и фазовой модуляции [2, 3]. Более высокая стабильность параметров, когерентность последовательностей импульсных сигналов и сравнительная простота реализации на существующей элементной базе обеспечиваются при использовании комбинированного метода фазовой модуляции, который и положен в основу рассматриваемого ниже принципа построения унифицированного возбудителя.
1. Принцип построения унифицированных возбудителей. Обобщенная структурная схема, позволяющая пояснить принцип унификации возбудителей когерентных последовательностей различных видов сигналов, приведена на рис. 1.
При этом генераторы запускающих импульсов (Р1, Р3) и строб-импульсов (Г 1-Г3) определяют временную последовательность работы всех элементов возбудителя. Генератор кодирующих импульсов (Р2) управляет работой фазового манипулятора. Когерентность последовательностей всех формируемых сигналов СВЧ обеспечивается стабильностью и синфазностью опорных колебаний частот /0, Е1 и , а также тем, что запускающие, стробирующие и кодирующие импульсы синхронизированы колебаниями частот ^ и . Гетеродинное колебание СВЧ для первого когерентного
преобразования в приемнике всех видов сигналов снимается с выхода 1. При этом на выходах 2, 3 и 4 можно сформировать более 12-ти видов простых и сложных сигналов СВЧ из числа рассмотренных в [1].
Рис. 1
1. Одиночные линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) радиоимпульсы СВЧ формируются, когда генератор кода Р2, создает скачок напряжения длительностью qx0 = тс, открывая канал фазового манипулятора с Дф1 = 0 и формируя простой радиоимпульс на частоте . Последний, а также импульсный отклик дисперсионного ЛЧМ фильтра (ФД) с частотой Е1 () и девиацией ДК = ДК поступают на смеситель. При этом с его выхода на управляющий вход фазового СВЧ модулятора 1 поступает ЛЧМ радиоимпульс с преобразованной начальной частотой ^ = Р1 + ^т Тогда на выходе
фазового СВЧ модулятора 1 формируется многочастотный (МЧ) сигнал вида [3]:
СВых(Г) =
и0 КУ £ Л (МДфэ)
пДРм
--г +Фдф
П)ф
2/ г+П при 0 < 1 < тс
2лРмг+
(1)
и0Ку 8т (2п/0 + ф0) при 1 > Тс , 1 < 0
где Ку и и0 - коэффициент усиления (передачи) фазового модулятора и амплитуда СВЧ сигнала частоты /0 на его входе; (мДфЭ) - функция Бесселя первого рода п-го порядка от аргумента МдфЭ; Мд;Э, фдф и ф0ф - динамический индекс, фазовые искажения импульсных боковых и смодулированной центральной составляющей спектра сигнала (1) при фазовой модуляции ЛЧМ управляющим напряжением, которые определяются соотношениями
М Дфд= ^м
1+(р Тф)2
\2
1 + ^г Р Т
\ м 0 /
—1/2
Дм
Фдф = фм + п/2 - аг0% i 2прм тф + 2птф *
Ф0ф=Ф0 + [ 1 + (2ПмТф)2 ]
—1/2
е"^ х
(2)
(3)
(4)
х(фм + аг0(8 2пРм Тф) >
где 5ф =дф/дим - крутизна статической фазовой настроечной характеристики модулятора; тф - постоянная времени установления фазы модулятора; им - амплитуда модулирующего напряжения на управляющем входе модулятора 1.
Полосовым фильтром 1, открываемым импульсом формирователя Б3 на время то, на выходе 2 выделяется п-й парциальный ЛЧМ радиоимпульс СВЧ с частотой /0 (г ) = /0 ± П [ рм + ДРм (г )] и девиацией частоты / = пД/м. Здесь п = 1, 2, 3,..., пмакс, где пмакс определяется соотношением [3, 4]
Пмакс - МдфЭ+(МдфЭ)1/2 + 1
(5)
где МДфд - усредненный за время тс динамический индекс модуляции.
2. Одиночные простые радиоимпульсы СВЧ формируются на выходе 2, если в описанном выше случае вместо ЛЧМ колебания на смеситель подать гармоническое колебание частоты Б1. Для этого запускается не генератор Г3, управляющий возбуждением дисперсионного ЛЧМ фильтра, а генератор Г2 и через управляемый им стробирующий каскад колебания частоты р подаются непосредственно на усилитель 2. Тогда на выходе смеси-
теля формируется простой радиоимпульс с частотой Рм = р + р. На выходе фазового СВЧ модулятора 1 в этом случае получается МЧ сигнал с непрерывной составляющей частоты /0 и простыми МЧ парциальными радиоимпульсами СВЧ вида [3]:
ивых (г) =
и,Ку £ (МфЭ)т [2/ +
+ П (2пРг + фм0)+ф0,] при 0< 1 <Тс; и0Ку sin (2п/0г + ф01) при 1 > тс , 1 < 0,
где ф01 = ф0 + ю0г,; ю0г, - угловое запаздывание в фазовом СВЧ модуляторе 1; Мфд; фм 0 - при фазовой модуляции гармоническим управляющем напряжением определяются соотношениями
МфЭ= [1+(2пРмТф)2] "2; (7)
фм0 = Фм + аг^2пР Т; + 2п/м г,. (8)
Один из парциальных простых радиоимпульсов СВЧ с частотой /с = /0 + пРм выделяется полосовым фильтром 1.
3. Одиночные кодофазоманипулированные (КФМ) радиоимпульсы СВЧ формируются на выходе 2, если колебание частоты р подается на смеситель, как в предыдущем случае, а генератор кода по сигналу управления (см. вх.2, рис. 1) переводится в режим формирования КФМ радиоимпульсов частоты Р2 с длительностью qт0 = тс , где д и Т0 - число и длительность дискрет. Тогда на выходе смесителя также формируется К ФМ радиоимпульс, но с частотой Рм = Р1 + Р2:
им (г) = им [2пР г + ф,ч е (Дф!, Дф2)]
при 0 < г < т
(9)
где е (Д;1 , Д;2)- двузначная переменная начальная фаза д-х дискретов, которая изменяется в моменты гq = q Т0 (д=0, 1, 2-").
На выходе фазового СВЧ модулятора 1 в этом случае получается МЧ сигнал СВЧ, в нечетных парциальных радиоимпульсах которого при двузначной КФМ с А;1 = 0 и Д;2 = п она сохраняется, а во всех четных -происходит демодуляция кода. Этот МЧ сигнал СВЧ имеет вид [3]:
ишх (г) =
и К у £ ¿П (М ф э) 8Ш {2/ + П [2пРм г +
п=—»
+ф ,ч е(ДФ1, Дф2 ) + Фмо] + Ф01} при 0 < г < тс,
иоКу 8т (2п/ог + Ф01 )при 0 > г, 1 >Тс
(10)
Следовательно, полосовым фильтром 1 при его настройке на нечетные составляющие можно выделить КФМ радиоимпульсы СВЧ соответственно с частотами
/о ±(2п -1) К .
4. Смешанные составные сигналы СВЧ, например вида рис. 2, как следует из со отношений для предыдущих рассмотренных случаев, могут формироваться на выходе 2, если генератор кода Р2 с приходом 1-го импульса запуска создает два скачка напряжения длительностью jт0, а с приходом 2-го и 3-го импульсов запуска - по одному скачку длительностью qт0 = tc, открывая при этом для колебания частоты канал фазового манипулятора только с Дф1 = 0.
£
Гп-Н,
По I-
нК4
-н*
-н 1-1
I I м 1
Рис. 2
В свою очередь, в цепи коммутации колебания частоты К с приходом 1-го и 3-го импульсов запуска запускается генератор Г2, а с приходом 2-го - генератор Г3.
5. Квазишумовые составные ЛЧМ сигналы с манипуляцией начальных фаз парциальных радиоимпульсов СВЧ (рис.3) формируются на выходе 2 следующим образом.
I
Ф(1
дтк
+
1
Рис. 3
На генер атор Р3 и вход 2 генер атор а кода Р2 в каждом периоде повторения подается пачка из д запускающих импульсов с интервалами тс. В интервалах тс все элементы схемы рис. 1 работают как при формировании одиночных ЛЧМ радиоимпульсов. Однако генератор кода Р2 переводится в режим формирования КФМ радиоимпульсов частоты Р2 длительностью qтc и с дискретами равными тс. Полосовой фильтр 1 должен настраиваться на частоты /0 ± (2п -1) ¥м, как и при формировании одиночных КФМ радиоимпульсов.
6. Квазишумовые ЛЧМ сигналы СВЧ с внутриимпуль-сной манипуляцией фазы (рис.4) формируются на выходе 2, если по сравнению с предыдущим случаем изменить только то, что в каждом периоде повторения подавать одиночные импульсы запуска и генератор кода Р2 перевести в режим формирования КФМ радиоимпульсов частоты с длительностью тс и дискретами
Т0 = ТсЫ .
Рис. 4
7. Квазишумовые МЧ ЛЧМ сигналы СВЧ с разными девиациями частоты Д/. = пДм парциальныхрадиоим-пульсов (см. рис.16 в [1]), как видно из (1) и работы схемы рис. 1 при формировании одиночных ЛЧМ радиоимпульсов , получаются на выходе полосового фильтра
1 при его настройке на ширину спектра всех п < 2пмакс составляющих, число которых определяется из (5).
8. Квазишумовые МЧ ЛЧМ сигналы СВЧ с одинаковыми девиациями частоты Д/с. = пДКм = Д/с0 парциальных радиоимпульсов (см. рис. 14 в [1]) формируются на выходе 3 путем дополнительной однократной гармонической фазовой модуляции ЛЧМ радиоимпульса с девиацией Д/с0 = пДм в СВЧ модуляторе 2 при
= к^ > Д/с0 = пДм. При этом элементы схемы рис. 1, управляющие фазовым СВЧ модулятором 1, работают в режиме формирования одиночных ЛЧМ радиоимпульсов. Сигнал на выходе 3 в соответствии с (1) и (6) описывается соотношением [3]
Цы И = Ц Кп J„ (Мдфэ[ ) Ку 2 £ (МфЭ2 )х
X Б1П
2/ + п
2Пм t + -
^ +Фдф
+ (11)
+Г (2Я^ +Ф0ф1+Фм02 )+Ф02 при 0< 1<ХС.
где параметры, имеющие в обозначениях индекс 1, относятся соответственно к СВЧ фазовому модулятору 1, а индекс 2 - к СВЧ фазовому модулятору 2 (см. рис. 1).
Полосовым фильтром 4 выделяется 2г < Ым„хс парциальных ЛЧМ радиоимпульсов, где Ымакс определяется выражением вида [3, 4]:
= 2Гмакс +1 < 2( + 1)+ 1. (12)
9. МЧ сигналы СВЧ с простыми парциальными радиоимпульсами, как следует из (11) и (12), можно получить на выходе 3, если в предыдущем случае элементы схемы, управляющие фазовым СВЧ модулятором 1, перевести в режим формирования простых радиоимпульсов.
10. Составные ЛЧМ сигналы с комплексно-сопряженными парными ЛЧМ радиоимпульсами (рис.5) формируются в двух каналах на выходах 3 и 4.
Каждыйиз этихканалов споследовательно включенными фазовыми СВЧ модуляторами 1, 2 и 1, 3 работаюткак при формировании МЧ сигнала вида (11). Однако полосовыми
фильтрами 2, 3 и 4, 5 одновременно выделяется по одному парциальному ЛЧМ радиоимпульсу соответственно (+п)-му и (-п)-му из сигнала вида (1) и (-[г- 1])-му и (+ [г + 1])-му из сигнала вида (11). При Е0 = к/ = Е = Е1 + Е2 > иДЕ и
И
Е = тЕ = Е +—-Д/м > иД/м на выходах 3 и 4 (см.
п +1
рис.1) обеспечивается необходимая зависимость / (г), показанная на рис.5.
Г
1 J
X <
Тс ^------------------р. 1
Рис. 5
11. Квазишумовые составные ЛЧМ сигналы вида рис.6 формируются на выходах 2, 3 и 4 с последующим их объединением в общем усилителе мощности. По сравнению с предыдущим случаем необходимо только на генератор Б3 и вход 2 генератора кода Б2 в каждом периоде повторения подать пачку из д=4 импульсов запуска с интервалами тс, а импульсами формирователя Б3 открывать соответственно в 1-м и 3-м интервалах полосовой фильтр 1, настроенный на (+ 1)-ю составляющую сигнала (1), во 2-м интервале - полосовой фильтр 3 и в 4-м интервале - полосовой фильтр 2. При этом полосовые фильтры 2, 3, 4 и 5 настраиваются, как и в предыдущем случае.
Рис. 6
12. Составные ЛЧМ сигналы вида рис.7 для РЛС с комбинированным методом обработки формируются на выходах 2, 3 и 4. Режимы работы фазовых СВЧ модуляторов такие же, как в предыдущем случае. Полосовые фильтры 1, 2 и 3 настраиваются соответственно на (+1)-ю, (+п)-ю и (+[п-1])-ю составляющие сигнала (1), а полосовые фильтры 4 и 5 - на (-[г- 1])-ю и (-[г-2])-ю составляющие сигнала (11). Частоты Е3 = т/ = Е = Е1 + Е2 и
ДЕ
Е0 = кЕ = Е--— > пДГм . При 1-м и 2-м запусках в
п -1
моменты г0 и г0 +тс + г открываются соответственно полосовые фильтры 1 и 2 и на выходах 2 и 3 формируются зондирующие ЛЧМ радиоимпульсы с частотами /л (г) = /о + 1м +ДЕ () и /с2 (г) = /о + Ем +дм + иДм (/). С приходом на вход 1 формирователя Б1 импульсов сопровождения целей в моменты tJ = г0 +(2тс + гз) + гц1 от-
крывается полосовой фильтр 3 и на выходе 4 формируются гетеродинные ЛЧМ радиоимпульсы с частотой
/сз (г) = /0 + Ем +(и-1)ДЕ (г).
Рис. 7
Кроме описанных возможны и другие режимы работы унифицированной схемы рис. 1. Унификация, как видим, достигается единством принципов построения и элементной базы при изменении в широких пределах параметров и структуры формируемых СВЧ сигналов путем изменения числа и режимов работы фазовых СВЧ модуляторов и полосовых фильтров с коммутацией во вспомогательных видеоимпульсных и низкочастотных управляющих цепях.
2. Результаты лабораторных испытаний основных режимов работы унифицированного возбудителя. Экспериментально исследовались принципиально важные режимы работы устройства, выполненного по схеме рис. 1. В макете использовались фазовые СВЧ модуляторы на серийных ЛБВО (типов УВ-34, УВ-35).
Осциллограммы спектров, соответствующие режиму формирования на выходе 3 квазишумового МЧ ЛЧМ сигнала вида (11) с одинаковыми девиациями Д/с = ДЕ = 5 МГц парциальных радиоимпульсов (при п =1, Е0 = 6,5 МГц и Ымакс = 7), приведены на рис.8 и 9.
Рис. 8
Рис. 9
На рис.8,а,б,в при одинаковых скоростях разверток спектроанализатора представлены соответственно спектры: ЛЧМ радиоимпульса промежуточной частоты на управляющем входе фазового СВЧ модулятора 1, ЛЧМ радиоимпульса СВЧ на выходе полосового фильтра 2
при его настройке на п = +1-ю составляющую сигнала (1) и участка МЧ ЛЧМ сигнала на выходе 3. Полный спектр последнего при медленной развертке спектро-анализатора показан на рис.9.
На рис.10,а,б,в приведены осциллограммы спектров для режима формирования на выходах 2, 3 и 4 одиночных либо составных ЛЧМ радиоимпульсов с девиациями частоты А/с1 = п1 АРм, полученные на выходах полосовых фильтров 1, 2 и 3 при их настойке соответственно на п1= + 1-ю п2 = +2-ю и п3=+3-ю составляющие сигнала (1).
в
Рис. 10
Сжатый импульс одиночного ЛЧМ радиоимпульса СВЧ с А/С1 = АЦ показан нарис.11а. Сжатые импульсы, соответствующие МЧ ЛЧМ сигналу рис.9, которые получены на выходе одноканального приемника, описанного в [3, 5], при смещении начальной частоты МЧ ЛЧМ сигнала возбудителя /0 относительно начальной (несущей) частоты МЧ сигнала с однотональной фазовой модуляцией гетеродина приемника /Г на величину Рем = 60 кГц (Р0Г = 6,44 МГц < Р0) показаны на рис.11 б, а при Рем = 0 (Р0 Г = Р0 = 6,5 МГц когерентное суммирование Ммакс = 7-ми парциальных импульсов) - на рис. 11в. При этих экспериментах в возбудителе использовался дисперсионный ЛЧМ фильтр с прямоугольной АЧХ при Р0ф = р « 20 М4Гц , АРф = АРм ~ 5 А4Гц и Тф = Тс = 53 мкс . В приемнике фильтр сжатия имел аналогичные параметры, но с косинусной формой АЧХ для весовой коррекции боковых лепестков, обеспечивающей их уровень - (19...20) дБ, что и получено практически (см. рис. 11 ,а,б,в).
В возбудителе использовался также дисперсионный ЛЧМ фильтр с Р0ф = р = 20 М4Гц \ Щ = АРм = 6,5 ММГц и Тф =Тс = 21 мкс, имеющий косинусную форму фронтов длительностью ~ 0,1Тф и плоскую остальную
часть импульсного отклика. Последнее снизило френе-левские пульсации огибающей его спектра до 2%. Это позволило реализовать подавление боковых лепестков сжатого импульса до уровня ниже -40 дБ, используя в приемнике фильтр сжатия с аналогичными параметрами и весовой функцией Хэмминга. Формы этого сжатого импульса, структура его боковых лепестков при 20-кратном дополнительном усилении и структура колебаний его заполнения при более быстрой развертке осциллографа показаны на рис. 12,а,б,в.
в
Рис. 12
Осциллограмма спектра для режима формирования МЧ сигнала СВЧ с простыми парциальными радиоимпульсами длительностью тс = 0,5 мкс , полученная на выходе фазового СВЧ модулятора 3 при Р3 = 5 ММГц и МфЭ3 = 6 рад , приведена на рис.13. Теоретически из (12) N м,акс < 17...19 . Практически получено N МаКс = 18.
Рис. 14
Рис. 15
Рис. 16
Gu(f)rr
Рис. 17 т
возможность реализации предложенного унифицированного возбудителя простых и сложных сигналов, а также высокие качество и стабильность его работы. О последнем, в частности, свидетельствуют: высокая стабильность спектров всех сигналов, идентичность огибающих спектров на промежуточной частоте и СВЧ (рис.-8а, б); сохранение их формы при размножении по частоте (рис. 8в и рис. 9) и умножении девиации частоты (рис. 10а,б,в); хорошее соответствие расчетных и экспериментальных спектров (рис. 17 и 18), стабильность огибающей при когерентном суммировании сжатых МЧ ЛЧМ радиоимпульсов (рис. 11в); реализация малого уровня боковых лепестков сжатого импульса и стабильность фазы колебаний его заполнения за время экспонирования, соответствующее 100.. .120 периодам повторения (рис.12).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гомозов В.И. Целесообразность унификации возбудителей простых и сложных сигналов при адаптации и оптимизации режима зондирования РЛС (настоящий вып.).
2. Батурин Н.Г., Гомозов В.И. Методы и устройства формирования простых и сложных сигналов // В кн. Приемно-передающие устройства радиотехнических систем / Под ред. Ю.Н. Седышева. - МО СССР: ВИРТА, 1991, ч.1, раздел 7. - с. 204-255.
3. Гомозов В.И. Теория и техника формирования сложных СВЧ сигналов с высокой скоростью угловой модуляции для радиотехнических систем. - Харьков: Изд. Шуст А.И., 2002. - 398с.
4. Картьяну Г. Частотная модуляция. - 2-е изд., доп. - Бухарест: Меридиане, 1964. - 672 с.
5. Николаев А.И., Ширман Я.Д. О возможности приближения к широкополосным шумоподобным сигналам при сохранении одноканальности (малоканальности) обработки. // В сб.: Вопросы обработки радиолокационных сигналов и по-мехозащита РЛС. - Харьков: ВИРТА, 1973, с.11-17.
-4 -3-2-1 0 1 2(Н„ШТ^ а
Рис. 18
Работа в режиме формирования на выходе 2 квазишумовых ЛЧМ сигналов СВЧ с внутриимпульсной манипуляцией фазы (ЛЧМ-КФМ сигнала) иллюстрируется рис.14-18. Осциллограммы подаваемых на смеситель ЛЧМ радиоимпульса частоты Е1 при ДЕф =ДЕм « 2 МГц и Тф = т,с« 20 макс и КФМ радиоимпульсов частоты Е2 с 7- и 13-значными кодами Бар-кера, имеющих т0 = 2,8 мкс (тс = 7 т0 = 19,6 мкс ) Т0 = 1,4 .икс (тс = 13 т0 = 18,2 мкс ), и осциллограммы их спектров представлены соответственно на рис. 14а, б, рис.15а,б и рис.16а,б. Расчетные и экспериментальные спектры указанных комбинированных ЛЧМ-КФМ квазишумовых сигналов СВЧ на выходе 2 приведены соответственно: для 7-значной внутриимпульсной КФМ - на рис. 17а,б; для 13-значной внутриимпульсной КФМ - на рис.18а,б.
Таким образом, экспериментально подтвердилась
